肽脫甲?；讣捌湟种苿┑睦碚撗芯恳约爸?輕-重反應(yīng)體系的共振研究.pdf

1、本論文包括兩部分工作。第一部分：用分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究肽脫甲?；?Peptidc deformylase，PDF)及其抑制劑的相互作用和性質(zhì)；第二部分：用量子化學(xué)方法構(gòu)建三原子及多原子體系的偏分勢能面并研究散射共振態(tài)的形成機(jī)理，分述如下： 第一部分 本論文從PDF晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了抑制劑與PDF之間的結(jié)合模式，探討了結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系。另外我們還考察了抑制劑的結(jié)合自由能，通

2、過與抑制劑測定活性的比較，證明了分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。主要內(nèi)容摘要如下： 第一章(緒論)。第一部分簡要敘述了PDF及其抑制劑的研究現(xiàn)狀。主要涉及到尋找新型抗菌藥物的意義，PDF的發(fā)現(xiàn)史，PDF在細(xì)菌中的功能，PDF晶體結(jié)構(gòu)和分類，PDF抑制劑類型和構(gòu)效關(guān)系，臨床藥物的進(jìn)展以及計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的概況。第二部分簡要介紹了散射共振態(tài)研究的歷史背景，共振態(tài)的分類，以及散射共振態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究的現(xiàn)狀、最新動(dòng)態(tài)及發(fā)

3、展前景。 第二章，用對(duì)接的方法研究了異羥肟酸類衍生物與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式和構(gòu)效關(guān)系。抑制劑包括脯氨酸-3-烷基琥珀酰異羥肟酸類衍生物，N-烷基脲異羥肟酸類衍生物等四類異羥肟酸類衍生物。首先將所有的抑制劑與PDF進(jìn)行對(duì)接，然后選取18個(gè)抑制劑建立起打分函數(shù)與IC50的線性方程，并用該方程預(yù)測剩余5個(gè)抑制劑的抑制活性。通過比較結(jié)合模式，分析了它們的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系。第三章，用對(duì)接方法研究了不同類型的抑制劑與大腸桿菌PDF的結(jié)合模

4、式和構(gòu)效關(guān)系。抑制劑包括異羥肟酸類衍生物和N-甲酰羥胺類衍生物等四類PDF抑制劑。對(duì)接的結(jié)果顯示，抑制劑復(fù)合物結(jié)合自由能的估算值與實(shí)驗(yàn)值具有很好的線性相關(guān)性。通過分析結(jié)合模式，發(fā)現(xiàn)一些新的結(jié)合口袋可用于抑制劑的設(shè)計(jì)。 第四章，用對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了大環(huán)抑制劑與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式。具有大環(huán)結(jié)構(gòu)的模擬肽類抑制劑對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)出潛在的抑制作用。重點(diǎn)分析了環(huán)的大小對(duì)抑制劑的結(jié)合模式及結(jié)合自由能的影響，

5、各復(fù)合物結(jié)合自由能的計(jì)算值接近于其實(shí)驗(yàn)值。 第五章，用對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了BB-83698與嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF的結(jié)合模式。BB-83698是第一個(gè)進(jìn)入臨床測試的PDF抑制劑，而嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF被認(rèn)為是最具有代表性的II型PDF，因此討論BB-83698與嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF之間的結(jié)合模式對(duì)于新型抑制劑的設(shè)計(jì)有著重要的意義。首先將BB-83698與PDF進(jìn)行對(duì)接得到三種主要的結(jié)合模式，再用分子動(dòng)力學(xué)模擬和結(jié)合

6、自由能計(jì)算判斷出最有利的結(jié)合模式，并與晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。 第六章，用對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了巰基肽類抑制劑與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式。巰基肽立體異構(gòu)體對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)出了一定的抑制活性，其中L型抑制荊具有更大的抑菌活性。模擬的結(jié)果顯示結(jié)合自由能的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值具有很好的線性相關(guān)性，從結(jié)合模式和能量兩個(gè)方面分析了L型抑制劑與D型抑制劑結(jié)合能力的區(qū)別。 第七章，用對(duì)接和靶向動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了問號(hào)鉤體

7、PDF的底物口袋的變化。在放線酰胺素結(jié)合的PDF晶體復(fù)合物中，酶的底物口袋為半開狀態(tài)。由于CD-loop環(huán)的限制，較小的開口使得抑制劑分子難以進(jìn)入底物口袋。為了了解抑制劑與口袋結(jié)合的過程，我們對(duì)游離的以及放線酰胺素結(jié)合的PDF晶體復(fù)合物分別進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬。 第八章，用對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了底物、產(chǎn)物與大腸桿菌PDF結(jié)合的情況。在PDF參與的催化循環(huán)過程中，涉及到底物與PDF的結(jié)合以及產(chǎn)物的生成和釋放，因此了解該過

8、程中底物、產(chǎn)物與PDF的相互作用機(jī)理對(duì)于設(shè)計(jì)新型的PDF抑制劑有著重要的意義。 第一部分的創(chuàng)新性研究成果表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1.不同類型的異羥肟酸類衍生物其抑菌活性表現(xiàn)出較大差異。 2.不同類型的抑制劑與大腸桿菌PDF進(jìn)行對(duì)接時(shí)，發(fā)現(xiàn)位于活性位點(diǎn)附近的口袋A、B、C和D可用來容納抑制劑的側(cè)鏈。 3.詳細(xì)分析了環(huán)的大小對(duì)抑制劑結(jié)合模式的影響。模擬顯示大環(huán)側(cè)鏈都能不同程度地進(jìn)入S1'口袋并與疏水殘基作用。

9、 4.探討B(tài)B-83698與嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF的結(jié)合模式將有助于更好地設(shè)計(jì)新型的抑制劑。模擬結(jié)果顯示，模式2發(fā)生了較大的構(gòu)型變化，抑制劑分子嚴(yán)重地偏離了晶體中配體的位置，不過最負(fù)的相對(duì)結(jié)合自由能暗示模式2可能是一個(gè)新的結(jié)合模式。模式3的結(jié)合模式和相對(duì)結(jié)合自由能表明該模式不利于抑制劑與酶的結(jié)合。模式1顯示抑制劑與Ile59和Gly109之間的氫鍵增強(qiáng)了復(fù)合物的穩(wěn)定性。另外，哌嗪環(huán)取代基與Pro57和Ile59之間的范德華作用以及

10、苯并1，3-二氧雜戊烷取代基與Pro57、Ile59和Leu146之間的范德華作用對(duì)于抑制劑的結(jié)合是非常重要的。若在苯并1，3-二氧雜戊烷取代基上引入一些親水性的基團(tuán)則會(huì)顯著地提高抑制劑的結(jié)合能力。 5.研究了巰基肽類立體異構(gòu)體與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式。動(dòng)力學(xué)模擬顯示，L型抑制劑能與酶產(chǎn)生更多的氫鍵、范德華作用和疏水作用。在P2'位置，L型抑制劑與Leu91產(chǎn)生范德華作用并與Cys90、Ile93、Glu95和Gln96形成氫

11、鍵。而在P3'位置，L型抑制劑不僅能與疏水性的Ile44、Val62、Ile86、Leu125和Ile128作用，還能與親水性的Glu42和Glu87作用。L型抑制劑的P2'和P3'側(cè)鏈可以被修飾成多功能的基團(tuán)以便與上述殘基作用。盡管疏基肽類抑制劑的活性不如異羥肟酸類和N-甲酰羥胺類衍生物，立體選擇性結(jié)合情況同樣適用于這兩類抑制劑。 6.采用對(duì)接和靶向動(dòng)力學(xué)模擬方法分析了問號(hào)鉤體PDF的構(gòu)型變化。結(jié)果顯示，Tyr71扮演了調(diào)節(jié)C

12、D-loop環(huán)運(yùn)動(dòng)的作用,所得復(fù)合物的動(dòng)力學(xué)平均結(jié)構(gòu)接近于晶體結(jié)構(gòu)。在游離酶中，Tyr71和Arg108之間氫鍵的形成導(dǎo)致了底物口袋的關(guān)閉。當(dāng)放線酰胺素與酶結(jié)合時(shí)，Tyr71首先與放線酰胺素形成氫鍵，并在疏水簇的影響下，穿過整個(gè)底物口袋與Arg108形成氫鍵。最后，由于Tyr71離開Arg108導(dǎo)致了CD-loop環(huán)遠(yuǎn)離Arg108并形成半開的底物口袋。Tyr71的作用意味著，新的抑制劑的設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的目的對(duì)P3'側(cè)鏈進(jìn)行修飾。

13、 7.底物、產(chǎn)物與PDF的動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示，柔性的CD-loop區(qū)域有利于底物的結(jié)合和產(chǎn)物的釋放。為使底物能順利地進(jìn)入活性位點(diǎn)，CD-loop與Glu42和Glu64等殘基作用，使活性口袋入口的殘基能向CD-loop方向移動(dòng)，增大了活性口袋。同時(shí)，原先松散的疏水殘基Ile86、Leu125和Ile128向底物方向靠近。 本論文對(duì)若干反應(yīng)體系的散射共振態(tài)做了動(dòng)力學(xué)理論研究，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 第九章，詳細(xì)介紹

14、了目前研究散射共振態(tài)的理論方法。理論研究主要包括勢能面的構(gòu)建和量子反應(yīng)散射理論對(duì)散射共振態(tài)的計(jì)算。然后介紹了偏分勢能面的理論基礎(chǔ)和構(gòu)建方法以及如何利用偏分勢能面研究化學(xué)反應(yīng)的散射共振態(tài)。 第十章，對(duì)H+NO、X+CH4(X=H，F(xiàn)，Cl，Br)和OH+H2O等若干反應(yīng)體系，通過構(gòu)建偏分勢能面詳細(xì)討論了散射共振態(tài)壽命等重要特性，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)對(duì)照分析，對(duì)這類體系的分子束散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了較好的理論解釋。 這一

15、部分創(chuàng)新性的成果包括： 1.偏分勢能面的建立。偏分勢能面不同于傳統(tǒng)意義上簡單的減維勢能面。我們所構(gòu)建的偏分勢能面是將垂直于反應(yīng)坐標(biāo)的振動(dòng)模式(采用振動(dòng)絕熱近似)耦合到反應(yīng)坐標(biāo)上，結(jié)果是在勢能中只包含反應(yīng)坐標(biāo)，于是可將比較復(fù)雜的反應(yīng)體系得到合理的簡化。偏分勢能面過渡區(qū)域里的動(dòng)力學(xué)勢阱可以合理地解釋散射共振態(tài)的形成機(jī)理，同時(shí)偏分勢能面還提供了共振能數(shù)據(jù)。所以，偏分勢能面是一個(gè)研究散射共振態(tài)的有利工具。 2. 對(duì)H+NO→N+

16、OH或D+NH反應(yīng)體系的散射共振態(tài)進(jìn)行了研究。將各垂直于反應(yīng)坐標(biāo)的振動(dòng)模式(采用振動(dòng)絕熱近似)耦合到反應(yīng)坐標(biāo)上，每一條反應(yīng)路徑的兩個(gè)過渡態(tài)區(qū)域均出現(xiàn)不對(duì)稱勢阱。正是由于這些勢阱俘獲了反應(yīng)體系才形成準(zhǔn)束縛態(tài)，該共振為Feshbach共振。利用偏分勢能面我們估算出該體系的共振壽命為0.85 ps，與韓克利和Schatz的計(jì)算結(jié)果接近。 3.對(duì)重一輕一重X+CH4→HX+CH3(X=N，F(xiàn)，Cl，Br)反應(yīng)體系的散射共振態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)研

17、究，總結(jié)出了相關(guān)的規(guī)律性。該類反應(yīng)都屬于不對(duì)稱性的態(tài)態(tài)反應(yīng)，沿反應(yīng)路徑的勢能曲線具有不對(duì)稱性，這些反應(yīng)的偏分勢能面曲線簇具有一定的相似性。但由于重原子的質(zhì)量的不同，而使各反應(yīng)的勢能曲線上勢阱的深度和寬度相差很大，從而生成的散射共振態(tài)的壽命也隨著原子質(zhì)量的增加而增加。其中Cl+CH4→HCl+CH3和Br+CH4→HBr+CH3兩個(gè)反應(yīng)屬于共振態(tài)壽命較長的反應(yīng)。 4.對(duì)重一輕一重反應(yīng)體系OH+H2O→H2O+OH的散射共振態(tài)進(jìn)行了